果樹(shù)采摘機(jī)器人研究綜述

1、果樹(shù)采摘機(jī)器人研究綜述何蓓，劉剛（“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京，100083）摘 要：農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)研究成果中新一代生產(chǎn)工具，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決勞動(dòng)生產(chǎn)力不足問(wèn)題等方面顯示出較大的優(yōu)越性。其中，果樹(shù)采摘機(jī)器人是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)。果樹(shù)采摘機(jī)器人可充分利用機(jī)器人的信息感知功能，對(duì)被采摘對(duì)象的成熟程度進(jìn)行識(shí)別，從而保證采摘果實(shí)的質(zhì)量，并能夠提高采摘的工作效率。本文首先介紹了果樹(shù)采摘機(jī)器人的特點(diǎn)、基本特征。從采摘機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)、末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、行走裝置的設(shè)計(jì)、果實(shí)成熟度的識(shí)別和定位等方面，分析了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)

2、狀，并對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的情況進(jìn)行了分析對(duì)比。針對(duì)目前果樹(shù)采摘機(jī)器人商品化面臨的諸多問(wèn)題，如采摘效率低、采摘質(zhì)量差、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，提出了相應(yīng)的解決方法。關(guān)鍵詞：果樹(shù)采摘，機(jī)器人，研究現(xiàn)狀，解決方法中圖分類號(hào)：S240 引 言農(nóng)業(yè)信息化是我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)后建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大戰(zhàn)略選擇，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。實(shí)施數(shù)字農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)和其它相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不但對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器的技術(shù)革命提出了要求，而且也奠定了相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械能更好地適應(yīng)生物技術(shù)的新發(fā)展，它的出現(xiàn)是現(xiàn)

3、代高科技在農(nóng)業(yè)上綜合運(yùn)用與發(fā)展的結(jié)果，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。其中，果樹(shù)采摘機(jī)器人的使用可以改善農(nóng)業(yè)作業(yè)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，解決勞動(dòng)力的不足等問(wèn)題。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世，有望改變傳統(tǒng)的勞動(dòng)方式，改善農(nóng)民的生活勞動(dòng)狀態(tài)。因此，研究開(kāi)發(fā)以果樹(shù)采摘機(jī)器人為代表的新型農(nóng)業(yè)機(jī)械，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有著重要意義。1 果樹(shù)采摘機(jī)器人的特點(diǎn)1.1 作業(yè)對(duì)象的非結(jié)構(gòu)性和不確定性果樹(shù)的果實(shí)生長(zhǎng)隨著時(shí)間和空間變化，其生長(zhǎng)環(huán)境具有變化性、未知性和開(kāi)放性等特點(diǎn)，除受不同的園地、 收稿日期： 修訂日期：項(xiàng)目基金：863計(jì)劃“基于機(jī)器視覺(jué)的果樹(shù)采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究”（2006AA1

4、0Z255）作者簡(jiǎn)介：何蓓（1984），女（漢），浙江，學(xué)士，研究方向：電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。通訊地址：北京市海淀區(qū)清華東路17號(hào)125信箱。郵編：100083。Email:chujining通訊作者：劉剛（1966），男（漢），河北，教授，博士，研究方向：電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。通訊地址：北京市海淀區(qū)清華東路17號(hào)125信箱，郵編：100083。Email：pac不同的地域條件影響外，還受土地、季節(jié)和天氣等自然條件的影響。這就要求果樹(shù)采摘機(jī)器人不僅要具有與生物體柔性相對(duì)應(yīng)的處理功能，而且還要能夠順應(yīng)變化無(wú)常的自然環(huán)境，在視覺(jué)、知識(shí)推理和判斷等方面具有一定的智能特性。1.2

5、作業(yè)對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性果樹(shù)的果實(shí)具有軟弱易傷的特性，必須細(xì)心輕柔地對(duì)待和處理。其形狀比較復(fù)雜，生長(zhǎng)發(fā)育程度不一，相互差異較大。1.3 良好的通用性和可編程性由于果樹(shù)采摘機(jī)器人的操作對(duì)象具有多樣性和可變性，要求具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，變更判斷基準(zhǔn)，變更動(dòng)作順序，就能進(jìn)行多種作業(yè)。例如，溫室果樹(shù)采摘機(jī)器人，更換不同的末端執(zhí)行器就能完成施肥、噴藥和采摘等作業(yè)。1.4 操作對(duì)象和價(jià)格的特殊性果樹(shù)采摘機(jī)器人的操作者，一般不是具有機(jī)電知識(shí)的工程師，因此要求果樹(shù)采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，如果價(jià)格太高，就很難普及1。2 果樹(shù)采摘機(jī)器人

6、的特征果樹(shù)采摘機(jī)器人的工作對(duì)象是水果。果樹(shù)采摘機(jī)器人應(yīng)具有對(duì)所操作農(nóng)產(chǎn)品及其所處環(huán)境特征信息的感知功能，以保證其在工作空間行為和操作的正確性。果樹(shù)采摘機(jī)器人應(yīng)具有對(duì)所操作果實(shí)的抓取(或采摘、搬運(yùn)、移位及其它操作)功能。果樹(shù)采摘機(jī)器人應(yīng)是一個(gè)可編程的柔性系統(tǒng)，可根據(jù)自主或人機(jī)協(xié)同的控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)其行為的控制，并可根據(jù)不同的工作目標(biāo)修改程序。果樹(shù)采摘機(jī)器人一般具有自行在特定空間中行走或移動(dòng)的功能。3 果樹(shù)采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown于1968年首次提出應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行果蔬的采摘2。1987 年Sistler在回顧自動(dòng)化采摘領(lǐng)域的研究進(jìn)展時(shí)指出，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)的采摘器人樣機(jī)幾

7、乎都需要有人的參與，因此只能算是半自動(dòng)化的采摘機(jī)械3。目前，日本、荷蘭、法國(guó)、英國(guó)、意大利、美國(guó)、以色列、西班牙等國(guó)都展開(kāi)了果蔬采摘機(jī)器人方面的研究工作。涉及到的研究對(duì)象主要有甜橙、蘋果、西紅柿、櫻桃西紅柿、蘆筍、黃瓜、甜瓜、葡萄、甘藍(lán)、菊花、草莓、蘑菇等。我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究工作起步比較晚，但在近10年來(lái)發(fā)展比較迅速，有個(gè)別研究樣機(jī)出現(xiàn)，但仍未有商品化產(chǎn)品推出。果樹(shù)采摘機(jī)器人的研究還只限于機(jī)器視覺(jué)方面，總體與國(guó)外差距較大。3.1 機(jī)械手機(jī)械手又稱操作機(jī)，是指具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，并使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械裝置，是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體。在采摘機(jī)器人中，機(jī)械手的主要任務(wù)

8、就是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置4。機(jī)械手一般可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)、球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)等多種類型。機(jī)械手機(jī)構(gòu)一般屬于空間開(kāi)式鏈。由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性和果實(shí)分布的隨機(jī)性，采摘機(jī)械手的選型既要遵循工業(yè)機(jī)械手的基本原則，又要考慮其作特殊性。要考慮使其具有最優(yōu)的工作空間、較好的避障能力、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、消除工作空間的奇異形位5。1980年，日本Kawamura等人采用了5個(gè)自由度的機(jī)械手應(yīng)用于番茄采摘機(jī)器人，因?yàn)椴皇侨杂啥鹊臋C(jī)械手，所以采摘在空間上受到了限制。日本岡山大學(xué)的Kondo N等人研制的番茄采摘機(jī)器人，具有亢余度的7自由度機(jī)械手，能夠更靈活的避開(kāi)障礙物

9、6。岡山大學(xué)還研制了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄采摘機(jī)器人。該機(jī)器人機(jī)械部分具有5個(gè)自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，具有四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（其中腰部1個(gè)、肩部1個(gè)、腕部1個(gè)）和1個(gè)棱柱型的直動(dòng)關(guān)節(jié)。日本國(guó)立農(nóng)業(yè)中心Murakami研制了極坐標(biāo)機(jī)械手的甘藍(lán)采摘機(jī)器人，采用極坐標(biāo)機(jī)械手可以具有較大的工作空間。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采摘機(jī)器人。機(jī)械手有7個(gè)自由度，采用三菱RVE26自由度機(jī)械手，在底座上增加了1個(gè)線性滑動(dòng)自由度，該機(jī)械手很好的解決了機(jī)械手與莖干的碰撞問(wèn)題7。在國(guó)內(nèi)，東北林業(yè)大學(xué)陸懷民研制的林木球果采摘機(jī)器人，機(jī)械手由回轉(zhuǎn)盤、立柱、大臂、小臂和采集爪等順序聯(lián)接而成，有6個(gè)自由度。

10、采集爪采用兩片可開(kāi)合的類似于人手的大型彎梳齒結(jié)構(gòu)，便于采摘。浙江大學(xué)的梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，進(jìn)行了番茄采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化與仿真實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果8。采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否是影響機(jī)器人的工作效率和工作性能的重要因素。機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)機(jī)器人工作性能的主要參數(shù)。分析影響其性能指標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可改善機(jī)器人的工作性能。機(jī)械手的性能指標(biāo)研究是冗余度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)合理選擇的依據(jù)。機(jī)械手的自由度數(shù)直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。3.2 末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器是果樹(shù)采摘機(jī)器人的另一重要部件，通常由其

11、直接對(duì)目標(biāo)水果進(jìn)行操作。因此，需要滿足不同的規(guī)則，以便摘除水果并確保水果質(zhì)量。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，還可擴(kuò)大作業(yè)范圍9。末端執(zhí)行器必須根據(jù)對(duì)象的物理屬性來(lái)設(shè)計(jì)，包括形狀、尺寸、動(dòng)力學(xué)特性 (如抓取力、切割力、彈性變形、光特性、聲音屬性、電屬性等)；水果的化學(xué)和生物特性也必須考慮。末端執(zhí)行器的性能評(píng)估指標(biāo)一般有抓取范圍、水果分離率和水果損傷率等10。韓國(guó)慶北大學(xué)研制了蘋果采摘機(jī)器人，采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。日本岡山大學(xué)的Kondo N等人研制的番茄采摘機(jī)器人，其末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)有2個(gè)帶有橡膠的手指和一個(gè)氣動(dòng)吸嘴，把果實(shí)吸住抓緊后，利用機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)把果實(shí)擰下。日本國(guó)立

12、研究所采用了4個(gè)手指、2個(gè)吸嘴、2個(gè)誘導(dǎo)桿、氣動(dòng)剪子和光電傳感器作為茄子采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器6,11。圖1 茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器原理圖Fig.1 General frame of the harvesting end-effector for eggplants1.光電傳感器 2.引導(dǎo)桿 3.橡膠手 4.攝像頭果實(shí)摘取的方式，一般采用機(jī)械摘除方法，也有電機(jī)切割和高壓水噴切等新的方法。1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程（MAG）研究所采用雙電極切割法來(lái)摘取黃瓜，利用機(jī)械手將莖桿放到切割器的2個(gè)電極之間，利用電極產(chǎn)生的高溫切割果實(shí)，還可以防止植物組織細(xì)胞細(xì)菌感染，是一種比較科學(xué)的摘取方式12。3.

13、3 行走裝置在采摘果實(shí)時(shí)，需要機(jī)器人能夠自主行走，所以機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)也是不可或缺的部分。目前，移動(dòng)式采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有車輪式、履帶式和人性結(jié)構(gòu)等三種。車輪式行走機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用也最為廣泛。但其對(duì)松軟的地面適應(yīng)性較差，對(duì)安裝在其上的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)精度有較大的影響。同輪式結(jié)構(gòu)相比，履帶式行走機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有地面的適應(yīng)性好，但由于轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向不靈活。在行走空間受到限制的場(chǎng)合，就不能選擇這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前只有葡萄采摘機(jī)器人使用履帶式行走機(jī)構(gòu)。機(jī)器人采用兩條腿行走，一直是人類的夢(mèng)想。兩條腿行走，對(duì)地面環(huán)境的適應(yīng)性以及躲避障礙物的能力較強(qiáng)，是輪式和履帶結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的。日本Ogasawara等人嘗試將

14、人形機(jī)器人引入到移動(dòng)式采摘機(jī)器人中，但這種技術(shù)目前還不成熟，且成本較高。今后，采用多種傳感器獲取環(huán)境信息，然后利用多傳感器信息融合方法，如貝葉斯分類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，進(jìn)行障礙物判別，成為移動(dòng)式機(jī)器人自主導(dǎo)航的主流技術(shù)13。日本Kawamura等人研制的番茄采摘機(jī)器人，其行走機(jī)構(gòu)有4個(gè)車輪，能在田間自由行走，利用機(jī)器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測(cè)是否到達(dá)土埂，到達(dá)后自動(dòng)停止，然后轉(zhuǎn)向再繼續(xù)前進(jìn)。3.4 果實(shí)成熟度的判別和定位果樹(shù)采摘機(jī)器人對(duì)果實(shí)采摘，其關(guān)鍵技術(shù)是要獲得果實(shí)在空間坐標(biāo)的準(zhǔn)確位置和果實(shí)的成熟度，為機(jī)械手提供準(zhǔn)確的空間位置參數(shù)，提高果實(shí)的采摘質(zhì)量。果實(shí)的定位和成熟度判別

15、是果實(shí)采摘機(jī)器人的難點(diǎn)之一，定位和成熟度判別的準(zhǔn)確性，關(guān)系到采摘機(jī)器人的采摘效率和采摘質(zhì)量。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最早起源于1968年，美國(guó)學(xué)者提出了用光測(cè)信號(hào)對(duì)果實(shí)進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)思想，即利用果實(shí)和葉子在電磁光譜的可見(jiàn)光和紅外區(qū)域反射率的不同來(lái)檢測(cè)水果，后來(lái)的研究大都遵循了這一技術(shù)思想。1977年，Parrish 和Goksel就是據(jù)此構(gòu)建了第一個(gè)較為實(shí)用的蘋果識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)。但這種技術(shù)思想直到近20年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，才得以真正成熟起來(lái)14,15。果實(shí)的識(shí)別和果實(shí)位置的確定主要有灰度、閾值、顏色色度法和幾何形狀特征等方法。其中，前兩者主要基于果實(shí)的光譜反射特征，但在自然光照情況下，由

16、于圖象中存在噪聲和各種干擾信息，效果并不是很好。采用形狀定位方式，要求目標(biāo)具有完整的邊界條件，由于水果和葉子往往容易重疊在一起，很難真正區(qū)別出果實(shí)的具體形狀。檢測(cè)果實(shí)成熟度的方法有敲打音法、近紅外線分光法、氣體傳感器法等。果樹(shù)采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的工作方式通常是先獲取果實(shí)數(shù)字化的圖像，然后運(yùn)用一系列的圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與背景的分離。傳感器是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)最重要的部件，主要包括圖像傳感器和距離傳感器等。圖像傳感器有CCD黑白攝像頭、彩色攝像頭或者立體攝像機(jī)，一般安裝在機(jī)械手臂或末端執(zhí)行器上。距離傳感器有激光測(cè)距、超聲、無(wú)線和紅外傳感器等16。Subrata (1995)等人研制的西紅柿采摘機(jī)器人

17、，采用了波長(zhǎng)為685nm和830nm的紅光和近紅外光的激光二極管，以及PSD傳感器組成視覺(jué)系統(tǒng)。既可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物三維圖像信息的獲取，又可從莖、葉中識(shí)別出成熟的紅西紅柿17。江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的陳樹(shù)人、尹建軍等提出了基于彩色柱狀圖算法的番茄自動(dòng)采摘機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。在自然環(huán)境下拍攝番茄的照片，由于西紅柿與其背景(葉子)的顏色有明顯的不同，因此可以通過(guò)分析圖像里每個(gè)象素的R、G、B值，將紅色西紅柿與其背景分離開(kāi)來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)RG>80時(shí)，得到的是西紅柿象素。利用這種方法，在一幅無(wú)論是接近成熟或成熟的，還是未成熟的西紅柿圖像里，都能很快地將西紅柿從背景圖象里識(shí)別出來(lái)。果實(shí)的成熟度有的依靠

18、顏色進(jìn)行判斷，根據(jù)果實(shí)的色度和飽和度，來(lái)辨別果實(shí)的成熟度。另外，有的果實(shí)需要通過(guò)測(cè)量果實(shí)的直徑和長(zhǎng)度，決定是否采摘。目前所研制的果實(shí)采摘機(jī)器人，還沒(méi)有十分理想的成熟度判別傳感器，多數(shù)通過(guò)人工判斷是否成熟。4 果樹(shù)采摘機(jī)器人存在的難題及對(duì)策4.1 采摘果實(shí)目標(biāo)的隨機(jī)位置準(zhǔn)確感知技術(shù)由于采摘果實(shí)的生長(zhǎng)位置具有隨機(jī)性，易受自然光線變化、風(fēng)力變化等不穩(wěn)定因素的影響，而且采摘果實(shí)往往是掩藏在樹(shù)葉、樹(shù)枝中間，果實(shí)之間存在相互重疊現(xiàn)象，如何解決果實(shí)的探測(cè)和定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，以提高采摘成功率。通過(guò)優(yōu)化果實(shí)定位方法，提出修正誤差算法，建立果實(shí)在輕微擺動(dòng)中的快速定位模型，實(shí)現(xiàn)被樹(shù)葉遮蓋果實(shí)的有效探測(cè)。4.2 機(jī)械

19、臂的智能控制技術(shù)由于果樹(shù)樹(shù)冠高大，機(jī)械臂需要較大的作業(yè)空間，需要設(shè)計(jì)并解決最佳的自由度數(shù)量、關(guān)節(jié)種類和桿長(zhǎng)等機(jī)構(gòu)要素的合理匹配問(wèn)題，以提高其柔性、靈巧性以及定位精度，實(shí)現(xiàn)智能路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。在果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)時(shí)不能簡(jiǎn)單地模仿人的動(dòng)作，而要用最適宜的機(jī)械手結(jié)構(gòu)形狀并采用易于實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)果實(shí)的自動(dòng)化采摘。對(duì)于不同種類及特性的果實(shí)采取不同的機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式。4.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抓取力度和位姿控制技術(shù)考慮采摘果實(shí)的生物特性、機(jī)械特性和理化特性，避免碰傷果實(shí)，確定并解決手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、采摘方式、控制方法與抓取成功率等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的抓取力度和位姿控制技術(shù)，以保證在采摘和傳送過(guò)程

20、中不損傷果實(shí)。通過(guò)機(jī)械臂及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘的路徑最優(yōu)化。4.4 果樹(shù)采摘機(jī)器人的多傳感器融合定位與導(dǎo)航控制技術(shù)在果園移動(dòng)的采摘機(jī)器人，其定位和輔助導(dǎo)航技術(shù)受到地面的凹凸不平、意外的障礙、運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)、惡劣的自然環(huán)境等因素影響。利用GPS、電子羅盤、陀螺儀、車輪編碼器、激光測(cè)距儀、GIS 等信息，通過(guò)信息融合技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)比較精確的絕對(duì)定位或相對(duì)定位以及輔助導(dǎo)航功能。此外，基于多傳感器模型的自適應(yīng)卡爾曼濾波的信息融合方法，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、穩(wěn)定融合，用于導(dǎo)航定位與圖像信息處理。4.5 果樹(shù)采摘機(jī)器人的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)目前已有的果樹(shù)采摘機(jī)器人一般采用兩種實(shí)現(xiàn)方式

21、：采用工業(yè)機(jī)器人和獨(dú)立設(shè)計(jì)的專用機(jī)電系統(tǒng)。這兩種實(shí)現(xiàn)方式都是封閉式的結(jié)構(gòu)，使得果樹(shù)采摘機(jī)器人只能具有特定的功能，適用于特定的環(huán)境，通用性差，不便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。開(kāi)放式的機(jī)器人系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性、通用性和柔性作業(yè)能力。機(jī)器人的核心部分是其控制系統(tǒng)，因此具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的果樹(shù)采摘機(jī)器人的根本要求是具有開(kāi)放式的控制系統(tǒng)。這樣才能保證控制采摘不同果實(shí)的機(jī)器人的機(jī)械部分、末端執(zhí)行器和傳感器。5 結(jié)論當(dāng)前，自動(dòng)化及機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)鑒于果樹(shù)采摘作業(yè)中勞動(dòng)者勞動(dòng)量大和工作條件艱苦等現(xiàn)狀，研究開(kāi)發(fā)果樹(shù)采摘機(jī)器人勢(shì)在必行。但由于作業(yè)對(duì)象的各種復(fù)雜情況，使得商品化的產(chǎn)品無(wú)法推出，要求在機(jī)械手、末端

22、執(zhí)行器、行走裝置、果實(shí)目標(biāo)感知和智能控制等方面做更加深入的研究，改進(jìn)現(xiàn)有的方法。隨著新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的應(yīng)用，果樹(shù)采摘機(jī)器人將越來(lái)越多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。由于果實(shí)生產(chǎn)的季節(jié)性、果實(shí)的價(jià)格、采摘作業(yè)的復(fù)雜性等特點(diǎn)對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人的性價(jià)比、智能提出較高的要求，成為制約果樹(shù)采摘機(jī)器人研究應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的果樹(shù)采摘機(jī)器人系統(tǒng)是解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑。將開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的思想應(yīng)用于果樹(shù)采摘機(jī)器人的研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1 趙勻，武傳宇，胡旭東，等. 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(1)：2024.2 Harrell R C，Adsit PD，P

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31、odern Precision Agriculture System Integration Research Ministry of Education , China Agriculture University , Beijing 100083 ,China)Abstract: Agriculture robot as one of agricultural intelligent control technology research achievements , is a new generation production tool.It has demonstrated great superiority in improving agricultural productivity